关于提升高真空高温气淬炉加热稳定性的研究

滕广力

摘 要 为了满足对大型钛合金、不锈钢等材料的热处理，越来越多的大型高真空高温热处理设备投入使用;该类设备造价高，控制系统复杂，且大多为国外进口设备，设备故障后维修周期长，备件价格高，该类设备故障后往往能够影响一个企业的正常生产;本文主要针对国外TAV卧式高真空高温气淬炉进行分析，通过对真空炉通信网络、加热控制原理、冷却系统等方面研究，提升真空炉运行稳定性。

关键词 调功器;加热带;热辐射;温均性;PID调整;绝缘阻值

1设备概述

1.1 卧式真空气淬炉工作流程

在运行自动加热程序时，必须保证安全信号正常，安全继电器工作正常，冷却水压正常，系统无报警。

1.2 加热系统网络拓扑图

加热系统主要由调功器、变压器及钼制环形加热带组成，加热控制为全段式PID调节。

卧式真空炉共分4个温度控制区：1区、2区、3区、4区，4个区分别由4台调功器控制，采用热辐射方式进行加热。在中部和后端部分布4根“S”形控制热电偶，用于加热控制系统的炉温控制; 2区、3区分布2根“S”形安全热电偶，由温控表UDI1700采集信号，用于炉内的超温控制;炉体内分布19根“N”型负载热电偶，用于工件加热曲线的记录;其中控制热电偶和负载热电偶均由PLC进行采集，PLC由路由器通过工业以太网与5000B记录仪进行数据交换[1]。

2真空炉温均性调试

真空爐主要分为4个加热区，其中1区和4区为单相补偿控制，2区和3区为三相PID控制。控制信号由AC2219模块转换为4通道的0～10V的电压信号控制调功器输出功率的大小，1区和4区根据与中区2、3区的温度差及系统设置的加热速率输出对应的百分比，1区和4区将PLC的控制输出分为：10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%，并对应AC2219控制模块的0～10V 电压信号;2区和3区通过设定温度与实时温度值通过PID计算PLC输出对应的值，并由AC2219模块转换为0～10V 电压信号。

系统2区原有PID值为：20、250、40，3区原有PID值为：15、250、40;在多次整定后现有2区PID值为：20、550、28，3区PID值为：20、550、28;在整定后进行加温测试时，9点温度依旧偏高，在加热结束将炉门打开后发现，炉膛内钼制加热带由于高温变形，造成9点附近两个加热带距离过近，造成辐射温度过高，在对加热带固定支架调整后，温度均匀性满足±5℃[2]。

3真空炉加热系统绝缘阻值研究

热处理炉炉体为中空设计，中间为冷却水循环回路，在炉子运行时为炉体降温，炉体上留有电极进入炉体内的孔，为了防止热辐射对电极造成损坏，因此在电极上下端留有冷却水循环系统;通过冷却水交互装置，各电极及需降温部位均由橡胶软管连接，保证为各部件提供一个安全的工作温度环境。

3.1 炉内加热系统绝缘研究

在进行加热运行时，系统报警，在对变压器后端加热负载断开后，测量加热带对地绝缘阻值，整个加热系统对地导通，无法满足加热系统工作所需绝缘阻值。

将加热带和电极脱离，并将加热带支撑架拆卸分解，在对加热带和加热带支撑架仔细分析后发现：在加热带和支撑架上吸附了大量黑色金属氧化物，且不容易去除，在炉膛和隔热屏中间存在大量黑色金属氧化物粉末;加热带支撑架主要起支撑固定加热带和保证加热带与炉体绝缘作用。

解决措施

（1）对所有加热带支撑架附件进行吹砂工艺处理，去除表面吸附的金属氧化物;更换绝缘瓷套，并清理炉内和5层隔热屏之间的金属氧化物粉末。

（2）改进加热带与炉体绝缘结构，现将每层隔热屏之间加装绝缘瓷套，保证整个加热系统与炉体之间绝缘性更好。

3.2 冷却系统绝缘研究

在将加热系统绝缘处理完成，再次对加热带与炉体绝缘阻值测试，2区、3区和4区绝缘均符合要求，但1区炉门加热带对炉体阻值仍为导通状态，在后续发现其1区电极上冷却水管被击穿，导致水管由绝缘状态变为导电状态，对绝缘冷却橡胶水管击穿原理分析，橡胶绝缘体主要有以下四大性质：

（1）电气绝缘性质。①导电性：加压后有微小电流通过;②绝缘击穿：达到某电压时电流急剧增大，绝缘体变导体;

（2）电介质性质。①介质极化：介质在电场中电荷中心重新分布，对外显电性（相对介电常数为3～3.5）;②介电损耗：当施加交流电压时，物质内部电荷往复运动、吸收电源能量、发热。

绝缘橡胶水管加上电场时，介质发生损耗，引起发热，使介质温度升高，而介质的电阻具有负的温度系数，即温度上升时电阻将变小，这又会使电流进一步增大，损耗发热亦跟着增大，因此如果介质中发生的热量比发散的热量大时，介质温度将不断上升，进一步将引起介质分解、碳化等，使介质击穿。

在炉体上留有电极进入炉体内部的预留孔，炉体与电极密封端之间使用水套密封，由于预留孔内部密封未处理好，导致部分热辐射从炉体内部散发出来，造成橡胶水管温度升高;在大电流（4000A电流）形成的强电场环境中，且水管中的水存在游离的镁离子、钾离子等，使介质损耗增加，介质温度将不断上升，进一步将引起介质分解、碳化等，使橡胶介质被击穿[3]。

4结束语

通过对真空炉的加热控制系统研究，掌握了温均性不达标时加热系统的全段式PID调整方法。对加热带绝缘阻值导通原因分析，通过对加热带及加热带支撑架金属物质分析，优化工艺流程，改善加热带绝缘结构，提高真空炉加热系统运行稳定性;通过分析真空炉冷却系统绝缘橡胶水管击穿原理，采用合理技术手段，规避橡胶水管被击穿条件，为电极和加热系统提供稳定可靠的冷却环境，减少真空炉由于冷却不足引起的部件损坏及加热系统不稳定现象。

通过对国外TAV卧式真空气淬炉控制系统研究，减少了设备故障率，节省了维修费用，为国外先进热处理设备修理提供了新思路。

参考文献

[1] 漆汉宏.PLC电气控制技术[M].北京：机械工业出版社，2012：69.

[2] 齐占庆.电气控制技术[M].北京：机械工业出版社，2002：202.

[3] 陈继武.温控技术在加热炉中的应用[M].北京：机械工业出版社，2000：119.